纳米材料的力学性能课件

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若取一微体积ΔV，假设单位体积内的界面组元面积为St，则ΔV内界面组元比
表面积为：
Vt Ct V St V
St

Ct

488m2
cm 3
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纳米材料晶界结构及特点 纳米材料中晶界占有很大的体积分数，这是评定纳米材料
的一个重要参数。
f 3 (d ) : d 晶界的厚度，通常包括2～3个原子间距。 ：晶粒的直径 f ：晶界体积分数
9.0 18.0 42.6 80.5
晶界在常规粗晶材料中仅仅是一种面缺陷。 对纳米材料来说：晶界不仅仅是一种缺陷，更重要的是构成纳米材料 的一个组元，即晶界组元（Grain Boundary Component）。 已经成为纳米固体材料的基本构成之一，并且影响到纳米固体 材料所表现出的特殊性能！
晶界厚度与晶界体积分数的关系
纳米固体材料＝颗粒组元＋界面组元
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纳米固体材料的界面组元
• 界面组元体积分数
假设纳米微粒的粒径d为5nm，界面平均厚度δ为1 nm，且微粒为球体，则界 面组元的体积分数Ct 为：
Ct

4 d 3 4 d 3
3
3
4d3

3d
d 3
d3

61 125
48.8%
晶界的原子结构-一直存在争论：
类气态模型
Gleiter于1987年提出
认为纳米微晶界 面内原子排列既非 长程有序，又非短 程有序，而是一种 类气态的，无序程 度很高的结构。
该模型与大量事实有出入，至1990年以来文献上不再引用该模型。 9
短程有序模型
认为纳米材料的界面排列是有序的,与粗晶结
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图中晶界厚度为1nm，晶间区为晶界 和三叉晶界区之和。
左图表明，当晶粒小于2nm时，三叉晶 界的体积分数已超过界面的体积分数。由于 三叉晶界处的原子扩散更快，运动性更好。
因此，纳米材料中大量存在的三叉晶界 将对材料的性能产生很大的影响。
纳米固体材料中的三叉晶界
所谓三叉晶界，指三个或三个以上相邻晶粒 之间的交叉区域，也称旋错。
晶晶 Δ
计算表明：当晶粒直径从
100 nm减小到2 nm时，三叉
晶界体积分数增加3个数量
级，而晶界体积分数仅增加
晶晶
1个数量级。
晶晶
三叉晶界体积分数对晶
粒尺寸的敏感度远远大
于晶界体积分数。这就意味着三叉晶界对纳米 晶体材料的性能影响是非常大的。
纳米Pd薄膜的高分辨透射电镜图像
要用一种模型统一纳米材料 晶界的原子结构是十分困难的。 尽管如此，还是可以认为纳米 材料的晶界与普通粗晶的晶界 结构无本质上的区别。纳米材 料晶界的原子结构平面示意图 可用左图来表示，图中实心图 表示晶粒内的原子，空心图表 明晶界处的原子。
纳米材料晶界平面示意图
纳米晶界结构特点 尽管纳米晶的晶界原子结构与粗晶的无本质区别，然而
3.1纳米材料的力学性能
3.1.1纳米材料的晶界与缺陷
3.1.2纳米材料力学性能概述
3.1.3纳米金属的强度与塑性
•
纳米金属的强度
•
纳米金属的塑性
3.1.4纳米复合材料的力学性能
3.1.5纳米材料的蠕变与超塑性
•
纳米材料的蠕变
•
纳米材料的超塑性
3.1.1纳米材料的晶界及缺陷
纳米材料的晶界及缺陷
纳米固体材料是由颗粒或晶 粒尺寸为1-100nm的粒子凝 聚而成的三维块体。纳米固 体材料的基本构成是纳米微 粒加上它们之间的界面。
物理上的界面不只是指一个几何分界面，而 是指一个薄层，这种分界的表面（界面）具 有和它两边基体不同的特殊性质。因为物体 界面原子和内部原子受到的作用力不同，它 们的能量状态也就不一样，这是一切界面现 象存在的原因。
纳米固体材料的基本结构组成
纳米晶体材料＝晶粒组元＋晶界组元 纳米非晶材料＝非晶组元＋界面组元 纳米准晶材料＝准晶组元＋界面组元
界面缺陷态模型 其中心思想是界面包含大量缺陷，其中三
叉晶界对界面性质的影响起关键作用。
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有人在同一个Pd试样中用高分辨率 透射电镜既观察到有序的界面， 如图中A、B晶粒之间的晶界； 也观察到原子排列十分混乱的界面， 如图中D、E晶粒之间的晶界。 因此，要用一种模型统一纳米材料 晶界的原子结构是十分困难的。
它们还具有以下不同于粗晶晶界结构的特点： 晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积（Excess
Volume）； 低的配位数和密度； 大的原子均方间距； 存在三叉晶界；
晶界相对配位数与原子间距的关系
在纳米晶材料的晶界上有大量的未 被原子占据的位置或空间
纳米晶晶界上的原子具有大的原 子均方间距和低的配位数。
构无区别。
但进一步研究表明，界面组元的原子排列的
有序化是局域性的，而且，这种有序排列是有
条件的，主要取决于界面的原子间距ra和颗粒大
小d，当ra≤ Nhomakorabead 2时，界面组元的原子排列是局域有序的；反之， 界面组元则为无序结构。
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界面可变结构模型
也称结构特征分布模型。 强调界面结构的多样性，即纳米材料的界 面不是单一的、同样的结构，界面结构是多 种多样的，因此，不能用一种简单的模型概 括所有的界面组元的特征。
假设晶粒的平均尺寸为5nm，晶界的厚度为1nm，则由上式 可计算出晶界所占的体积分数为50％。
晶粒直径与晶界体积分数的关系
晶粒/nm 晶界厚度/nm 晶粒个数/2×2×2m3 晶界体积分数/％
2000 0.6 1 0.09
20
10
4
2
0.6 0.6
0.6 0.6
106 0.8×107 1.3×108 109
相同晶粒尺寸时，晶体结构 不同导致晶界厚度不同。 bcc结构晶界厚度：1nm左右 fcc结构晶界厚度：0.5nm左右
Bcc结构晶界体积分 数蒙特卡洛模拟曲线
fcc结构晶界体积分数 蒙特卡洛模拟曲线
1、对金属和合金纳米材料来说，其结构不同，使得晶界厚度不同。 2、对纳米复合陶瓷来说，合成方法不同，晶界厚度变化很大。
晶界原子配位数/单晶原子配位数=相对配位数 晶间原子间距越大，配位数越低。
纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动， 例如由8.3nm晶粒组成的Pd块体在室温时晶间原子热振动偏离点 阵位置平均为3.1±0.1％，而粗晶材料为2.3～2.7％。因此，纳米 晶晶界处的密度较普通粗晶晶界的密度有较明显的降低。